基因组学与医学生物学
(
网络版
), 2012
年
,
第
1
卷
,
第
4
篇
,
第
23
-
27
页
Jiyinzuxue Yu Yixue Shengwuxue (Online), 2012, Vol.1, No.4, 23
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巨大,与人类关系密切,且繁殖代时短、进化速度快、
众多致病菌可造成人类感染性疾病;在水体、土壤等
自然环境和呼吸道、消化道等人体环境中的菌群中,
水平基因转移现象十分普遍,与致病菌新功能的获
得、新型致病菌的出现关系密切
(Dobrindt et al., 2004;
Gogarten and Townsend, 2005; Wirth et al., 2006)
。近年
来出现的新发或再发传染性疾病中,多种常见病原菌
出现了新的功能特点,经过研究其原因往往是获得了
新的基因
(Wu et al., 2011)
。因此对于与细菌获得新功
能密切相关的重要元件
——
基因组岛,应予以足够的
关注和研究。现将当前国内外对致病菌基因组岛的研
究进展综述如下。
1
细菌基因组岛的结构特点
细菌基因组多数包含一至二个环状或线性的
染色体及数目不等的质粒,其中染色体为细菌生存
和分裂所必需。目前已完成全基因组测序的细菌有
1 400
余个,对这些细菌基因组结构的研究表明,细
菌的基因以操纵子的方式组构,功能相关的操纵子
在位置上常常相邻,形成具有一定功能和特点的岛
结构。基因组岛为细菌基因组上的特定区域,与水
平基因转移密切相关,其结构往往具有以下一些特
点
(Boyd et al., 2009; Juhas et al., 2009)
:
(1)
鸟嘌呤脱氧核糖核苷酸和胞嘧啶脱氧核糖
核苷酸
(GC)
含量往往与基因组其他区域差异较大;
(2)
基因组岛内往往具有与基因重组、转移相关
的功能基因;
(3)
基因组岛内的基因,三联密码子的使用频率
与全基因组有一定差异;
(4)
该区域两侧往往有特定的序列片段,如正、
反向重复序列或
tRNA
、转座酶识别位点等。
典型的基因组岛往往具有以上特点中的数个。
以中国科学院微生物研究所高福教授团队发现的
猪链球菌血清
2
型基因组上携带的
89K
致病岛为例
(Li et al., 2011)
,该区域
GC
含量为
36.8%
,而猪链球
菌全基因组的平均
GC
含量为
41.4%
;该片段内含有
转座子
Tn916
和其它两个与基因移动相关的基因,
含有
DNA
整合酶和重组酶以及可将
DNA
分子、蛋白
分子移出菌体的四型分泌系统;该岛两侧具有正向
重复片段,能够在从基因组切离后发生环化,形成
类似质粒的环状
DNA
分子。研究者进一步通过实验
验证了该环状
DNA
分子在猪链球菌中可以通过四
型分泌系统而发生转移。
2
致病菌基因组岛的功能和移动性
基因组岛上往往携带特定的功能基因,可以使
细菌获得新的功能。这些功能与细菌的致病性、耐
药性、环境适应性等密切相关。很多已证实的基因
组岛命名也往往根据功能而来。
2.1
基因组岛的功能
与致病性相关的基因组岛常称为致病岛
(pathogenicity island, PAI) (Hacker and Kaper, 2000)
,
如猪链球菌血清
2
型的
89K PAI
岛,霍乱弧菌的
VPI
岛等
(Chen et al., 2007; Jermyn and Boyd, 2002; 2005)
。
我国
1998
年在江苏江阴、
2005
年在四川资阳发
生
2
次血清
2
型猪链球菌病大流行,病人表现出了罕
见的
“
链球菌中毒性休克综合征
”
。在分离到的新型
高致病性强毒株中,均发现了
89K PAI
岛的存在,
并经实验证实了该岛与血清
2
型猪链球菌致病性的
提高密切相关
(Chen et al., 2007)
。对该
PAI
岛的序列
研究表明,其上存在整合酶及其辅助蛋白、四型分
泌系统、毒素-抗毒素系统等一系列功能基因。
与耐药相关的基因组岛常称为耐药岛,如耐甲
氧西林金黄色葡萄球菌
(MRSA)
携带的
SCCmec
耐
药岛
(Kriegeskorte and Peters, 2012)
。
MRSA
目前已
经成为了世界性的难题
(Cookson, 2011; Köck et al.,
2010)
,而新的耐药菌如耐万古霉素金黄色葡萄球菌
(VRSA)
、超级耐药菌
NDM
-
1
等
(Chen et al., 2011)
,
其出现也均被证实与耐药基因岛在细菌之间的传
递密切相关。
2.2
基因组岛在细菌间移动的途径
致病菌基因组岛主要通过水平基因转移,如转
化、接合和转导等途径在细菌之间转移。四型分泌
系统已经被证实可以分泌
DNA
分子
(Li et al., 2011)
,
当基因组岛由供体菌分泌后,可被受体菌直接摄
入,通过转化的方式获得。通过质粒在细菌间的传
播而实现基因传递也是基因组岛在细菌间移动的
重要途径之一,已经发现了多种携带耐药基因的质
粒,通过接合作用使耐药基因得以播散
(Kirchner et
al., 2011)
。此外,温和噬菌体进入溶菌性周期后,
可将宿主
DNA
装入外壳,或在从宿主基因组切离的
过程中将宿主部分
DNA
片段一并切离,从而通过转
导作用将新基因转入受体菌中。
3
致病菌基因组岛的预测和识别
已确认的基因组岛的特点,包括
GC
含量异常、